KMU-innovativ Entwicklung einer halbleiterbasierten Mikrowellen-Vakuumtrocknungsanlage (HOMIVAT)

Problemstellung
Die Nachfrage nach hochwertigen getrockneten Lebensmitteln, zum Beispiel Trockenfrüchten, steigt seit Jahren an. Trockenfrüchte lassen sich kostengünstig durch Warmlufttrocknung herstellen, jedoch gehen dabei viele Vitamine und Aromen verloren und man erhält stark verschrumpelte Produkte. Gefriertrocknung liefert wesentlich bessere Produktqualitäten, ist allerdings zeitaufwendig und sehr teuer. Durch Mikrowellen-Vakuumtrocknung (MVT) erhält man bei sehr kurzen Trocknungszeiten und erheblich geringeren Kosten eine zur Gefriertrocknung vergleichbare Qualität. Allerdings besteht beim Einsatz von Mikrowellen immer das Problem der ungleichmäßigen Erwärmung, das durch inhomogene Feldstärkeverteilung in der Trocknungskammer verursacht wird. Stand der Technik sind MVT-Anlagen, die mit Magnetrons (speziellen Elektronenröhren) arbeiten. Das Problem der ungleichmäßigen Erwärmung lässt sich bei dieser Technik nur dadurch lösen, dass das Trocknungsgut ständig im Mikrowellenfeld bewegt wird. Die aktuell angebotenen MVT-Anlagen arbeiten daher mit rotierenden Trommeln. Dabei fallen jedoch empfindliche Güter wie Beeren ständig aufeinander und werden mechanisch beschädigt.

Ziel
Im KMU-innovativ-Projekt HOMIVAT wurde eine Verfahrenstechnik zur MVT von Lebensmitteln entwickelt, die ohne rotierende Trommeln auskommt und allein durch Modulation der Mikrowellen einen homogenen, optimal auf den Trocknungsverlauf abgestimmten Energieeintrag in das Trocknungsgut erzielt. Bei HOMIVAT werden die Mikrowellen bewegt, nicht das Trocknungsgut! Am Ende des Projekts existiert nun eine Demonstrations- und Versuchsanlage im Technikumsmaßstab, die für die Trocknung von sensiblen Lebensmitteln wie Früchten, Pilzen oder Kräutern geeignet ist und eine sehr hohe Produktqualität liefert.

Vorgehensweise
HOMIVAT arbeitet mit MW-Generatoren auf Halbleiterbasis (HLMG, Halbleiter-Mikrowellen-Generatoren). Im Unterschied zu Magnetrons kann man bei den HLMG Phase, Frequenz und Leistung der Strahlung präzise steuern, und zwar für jeden HLMG unabhängig von allen anderen. Im Projekt wurde eine Anlagensteuerung entwickelt, die durch raschen Wechsel zwischen verschiedenen Frequenzen und Phasendifferenzen die Feldstärkeverteilung in der Trocknungskammer so verändert, dass im zeitlichen Mittel ein gleichmäßiger Energieeintrag in das Trocknungsgut resultiert. Durch Amplitudenmodulation wird außerdem die Strahlungsleistung ständig an den Trocknungsfortschritt angepasst. Die Temperaturkontrolle erfolgt über eine IR-Kamera. Da HLMG nur mit einer Leistung von maximal ca. 500 W erhältlich sind, benötigt man allerdings schon für eine industrielle Anlage mit relativ kleiner MW-Leistung (10 bis 20 kW) sehr viele HLMG. Dadurch wird die Entwicklung der Anlagensteuerung zu einer sehr komplexen Aufgabe, bei der mit intelligenten Techniken zur Datenreduzierung bzw. -auswertung gearbeitet werden muss.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Im Anschluss an das Projekt erfolgte das Up-Scaling der Anlagentechnik bis zur Marktreife. Wegen der weltweit stetig steigenden Nachfrage nach hochwertigen getrockneten Nahrungsmitteln existiert ein großes Marktpotential für HOMIVAT-Anlagen. Nach entsprechender Weiterentwicklung kann die Verfahrenstechnik auch für die Mikrowellen-Gefriertrocknung oder für Hybrid-Verfahren (zum Beispiel Kombination von MGT und MVT) genutzt werden.